Mikrofonverstärker für 3,6V-Akku-Betrieb

[Frankynstone]

National bietet auch paar Mikrofonverstärker an:
LMV1012, LMV1015, LMV1024, LMV1026, LMV1031
Bei anderen Herstellern, etwa TI, Philips, Texas, ON, habe ich mich noch nicht umgesehen, wäre sicher auch unnötig, da unter den bisher aufgezählten Bauelementen garantiert schon irgendwas passendes dabei war.

[Obelix]

Hallo ihr beiden,

vielen Dank für die vielen Tipps. Ich dachte schon ich muss wirklich das alte Transistor-Wissen wieder entstauben. Aber mit diesen vielen Rail-to-Rail-Vorschlägen dürfte mein Problem wohl gelöst sein. Noch mal vielen Dank!

Viele Grüße
Andreas

[Obelix]

Hallo alle zusammen,

ich muss diesen Thread mal wieder rauskramen. Für einen pasenden OP habe ich mich zwar immer noch nicht entschieden, aber die Schaltung funktioniert mittlerweile grob. (Aktuelle verwende ich einen LM324)

Aus technischen und aus platzgründen habe ich die Akkus auf 2 Zellen reduziert und ein kleines Schaltnetzteil spendiert das 3,3V erzeugt, da ich auch eine MMC-Karte ansteuern möchte und dafür sowieso diese Spannung stabil benötige. Mein aktueller Verstärker für das Mikrofon sieht so aus:



Ich erzeuge mir mit einem LM317 die Referenzspannung von 1,27V (Adj einfach auf Masse und alles schön mit großen Elkos gebuffert.) Die ARef/2 erzeuge ich mit einem Spannungsteiler, der mit einer weiteren OP-Stufe als Impedanzwandler gebuffert ist.

Das alles funktioniert soweit sehr gut. Auch die Klangqualtität nimmt langsam Maßstäbe an mit denen ich zufrieden bin. Es war eine ganz schöne Arbeit die Störungen vom Schaltnetzteil vor der analog-Schaltung auszufiltern. Aber ich habe es geschafft.

Alelrdings ist die Geschichte jetzt sehr empfindlich gegenüber Übersteuerungen. Da ich für die Aufzeichnung nur 8 Bit Auflösung verwenden möchte muss ich so stark wie möglich Verstärken um nichts zu verschenken. Allerdings wenn man zu nah ans Mikrofon geht übersteuert natürlich alles.

In Google habe ich einige Schaltungen für eine automatsiche Verstärkungsfaktor-Anpassung gefunden, aber eigentlich nichts brauchbares. Entweder berichtet der Autor selbst das es nicht anständig funktioniert, oder die Schaltungen sind zu aufwendig.

Kann mir hier vielleicht jemand einen Denkanstoß liefern wie ich in den ganzen Verstärker ohne viel Aufwand noch eine automatische Verstärkungsfaktor-Anpassung einbauen könnte?

Vielen Dank und viele Grüße
Andreas

[PeterG]

Hi Obelix,

schau mal hier: http://www.party-pa.de/phpBB/viewtopic.php?t=50139

ist aber Experimentieren angesagt.

Oder, wurde schon früher angesprochen: http://www.traco-electronic.de/dc_1_8_watt.htm

und dann die Schaltung mit +/- 15V laufen lassen => wesentlich höherer Dynamikbereich. Ob die Teile mit 4,5V Eingansspannung bei 3,6 noch laufen? Muss natürlich probiert werden. Module für 12V Eingang funzen noch super bei 9V.

MfG
Peter

[Obelix]

Hallo Peter,

vielen Dank für deine Antwort. Eine Schaltung mit einem Fet wie in deinem ersten Link findet man bei Google ja 1000ende. (oder ähnliche) Ich habe mir das ganze aber mal durch den Kopf gehen lassen und glaube nicht das es in meiner aktuellen Konstellation funktionieren wird. Der Fet arbeitet ja als spannungsgesteuerter Spannungsteiler auf Masse. Bei mir gibt es aber keine Masse. Bei mir gibt es nur 0V, ARef und 3,3V. 0V (oder Masse) wäre bei mir volle negativer Aussteuerung. Ich müsste den Fet also gegen ARef arbeiten lassen, aber dann bräuchte ich hier was bipolares weil die Spannung vom Mikro ja entweder über oder unter ARef liegt.

Theoretisch wäre eine symmetrische Spannungsversorgung tatsächlich am besten. Aber ich habe wirklich ein Platzproblem. Ich zeige euch mal ein paar Bilder von meinen Prototypen. Von links nach rechts: Prototyp, selbst geätzt oben und unten und dann ein weiterer, aktueller Stand von Neuschaeffer hergestellt auch oben und unten:



Das selber ätzen habe ich irgendwann sein lassen, da mir zuviele Durchkontaktierungen auf der Platine sind und diese unterhalb von SMD-Bauteilen herzustellen ohne das man schwierigkeiten hat diese noch drauf zu löten war mir dann irgendwann zu blöd.

Größer geht nicht. Deshalb auch schon nur noch 2 Akku-Zellen für die Versorgung.

Die DC/DC-Module die du genannt hast laufen alle erst ab einer Eingangsspannung von 4,5 bis 5 Volt. Das wird mit 2 Zellen schwierig.

Hat noch jemand eine Idee für mich, bzw. da es hier doch ein bischen OT ist einen Tipp für ein Forum in dem sowas besser durchgearbeitet werden kann?

Vielen Grüße
Andreas

[antiasina]

Hi erstmal!
nicht so schnell verzweifeln!

1. die FET-Lösung kann man umbauen, dass sie nicht gegen Masse geht und auch einen hohen Dynamikbereich erzielt. (aber ne hohe (negative) Betriebsspannug brauchts trotzdem, der FET braucht Gatespannung...)

2. Verstärkungsregelung in dem man den Arbeitspunkt an der krummen Kennlinie eines Transistors verschiebt und mit einer trickreichen Schaltung die Verzerrungen kompensiert. So eine Schaltung hatte ich bereits an 5V in Betrieb, und ich wüsste nicht, warum 3,3V nicht auch noch gehen sollten.
Ich werds grad mal durchrechnen...

[antiasina]

Hab jetzt mal die alten Pläne rausgekramt:
SPICE sagt, dass es auch (mit ein paar Anpassungen) an 3,3V gehen müsste, ca. so:


die Schaltung müsste schwankungen der Eingangsspannung zwischen 1mV und 50mV ausregeln können (sagt SPICE, kommt mir aber realistisch vor...).

Anmerkungen:
1. Q2 und Q3 sollten möglichst ähnlich sein, ihre Verzerrungen heben sich gegenseitig auf.
2. R5 legt die Empfindlichkeit des Eingangs fest.
3. die Koppelkondensatoren habe ich bewusst klein gehalten, weil ich annehme, dass Sprache verstärkt werden soll, wobei eine Absenkung der Bässe die Verständlichkeit verbessert und eine höhere Aussteureung ermöglicht.
4. R10, R6 und R14 muss man an die Transistoren anpassen: ohne Signal sollte am Kollektor von
Q3 2-2,5V
Q4 ca. 2V
Q6 1,5-2V sein.
5. R12 legt den Ausgangspegel fest (hier wäre evtl ein Trimmer angebracht...)
6. C4 legt fest, wie schnell die Verstärkung erhöht wird.

Außerdem habe ich noch einen anderen Vorschlag: könnte man nicht einen CMOS-Analogschalter nehmen (74HC4066) und hinters mikro schalten und die Lautstärke durch schnelles ein/ausschalten von der CPU aus regeln . . . ?
dürfte aber nicht ganz leich zu programmieren sein.

[Obelix]

Hallo antiasina,

vielen vielen Dank für deinen Mühen. Ich habe mir das ganze heute mal angeschaut, aber irgendwie ist mein Elektronik-Wissen zu eingestaubt um alles deiner Schaltung zu verstehen. Ich werde das ganze aber auf jeden Fall mal aufbauen und testen.

Mit Spice meinst du doch bestimmt PSpice oder? Den Titel liest man häufig mal und es scheint recht gut zu sein. Ich habe gerade mal Google gequält aber irgendwie nur Dokumentationen und Links zu Büchern gefunden die das Programm beschreiben. Eine Seite auf der das Programm selbst angeboten wird habe ich nicht gefunden. Wo bekommt man das denn?

An die Lösung mit dem Controller und Analogschalter habe ich ehrlich gesagt auch schon gedacht, aber ganz nach hinten als allerletzte Notlösung angestellt.

Auf jeden Fall habe ich heute mal versucht meine Schaltung wieder zu verstehen und einen großen Fehler darin entdeckt. Der C18 in der 2. Verstärkerstufe ist ja völlig daneben dimensioniert bzw. überflüssig. So wie er ist baut er einen Hochpass mit 234Hz Grenzfrequenz. Im Frequenzbereich für Sprache arbeitet die Stufe deswegen fast linear. Der Verstärkungsfaktor schwankt zwischen 2,2 (1kHz) und 1,5 (4kHz). Der Kondesansator war nicht von Anfang an drin. Ich habe ihn irgendwann mal nachgerürstet um Störungen vom Schaltnetzteil zu filtern. Ob er damals richtig dimiensioniert war und ich nachträglich die Widerstände geändert habe weiß ich leider auch nicht mehr. Aber auf jeden Fall ist er total Quatsch. Weil Störungen filtert man in der Versorgungsspannung und nicht in der letzten Stufe des Verstärkers...

Nachdem ich ihn heute also ausgelötet habe war ich erst mal begeistert. Bis auf ein kleines Pfeifen alles wunderbar. Also habe ich einen 220pF eingelötet. (und R6 auf 47k erhöht um zwischen 1kHz und 4kHz wieder auf einen Verstärkungsfaktor von rund 1,7 zu kommen) Und dann ging die Sonne auf. Ich habe ein paar schöne klare Aufzeichnungen komplett ohne Störgeräusche gemacht. (Bis auf ein ganz leises Rauschen das wohl der LM324 erzeugt) Der 220pF mit dem 100k ergibt eine Grenzfrequenz von ca. 7kHz und das sollte für Sprache passend sein. Vor allem da ich nur mit 11025Hz Sample, und soweit ich weiß kann man damit max. Frequenzen bis 5,5kHz aufzeichnen.

Allerdings hats ein paar Stunden später wieder nicht funktioniert. Es waren wieder eklige Geräusche mit drin, die wohl wieder vom Schaltnetzteil kommen. Und ich habe bis dahin nichts an der Hardware geändert, sondern nur Softwareänderungen am USB-Teil durchgeführt der nur mit dem Download der Daten und nicht mit der Aufzeichnung zu tun hat. Jetzt stehe ich erst mal auf dem Schlauch was das Problem ist.

So, nach dem langen Text noch eine weitere Frage von mir: Mich würde mal interessieren auf was ich automatische Pegelanpassung dimensionieren muss. Im Datenblatt des Mikrofons steht eine Empfindlichkeit von 5,6mV/Pa bei 1kHz und 2kOhm Lastwiderstand. (Impedanz= 2kOhm)

Nur was bedeutet das? Auf wievle Pa komme ich wenn ich z.B. aus 30cm Entfernung in das Mikro spreche oder wenn ich es mir direkt an den Mund halte und lauter spreche? Gibt es hier Faustregeln?

Und wie berechne ich den Lastwiderstand? Ich kann mich noch schwach an die Schulzeit erinnern. Es müsste theoretisch R4 parallel zu R5 sein, also ca. 9,5kOhm. Aber das dürfte ja nur gelten wenn der nicht invertierte Eingang von N1:C auf Masse liegen würde. Oder ist das egal? Ich glaube Wechselspannungsmäßig dürfte der ja sogar auf Masse liegen.

Sollte ich dann meine Widerstände R4 und R5 anpassen um auf 2kOhm zu kommen oder kann man das so lassen?

Viele Grüße
Andreas

[antiasina]

Mit Spice meinst du doch bestimmt PSpice oder? Den Titel liest man häufig mal und es scheint recht gut zu sein. Ich habe gerade mal Google gequält aber irgendwie nur Dokumentationen und Links zu Büchern gefunden die das Programm beschreiben. Eine Seite auf der das Programm selbst angeboten wird habe ich nicht gefunden. Wo bekommt man das denn?

ich habe LTSpice verwendet. Das ist ein frei verfügbarer Schaltplaneditor und Simulator, gesponsert von LTC... (google hilft...). Sind halt standardmäßig nur Modelle zu LTC-ICs dabei und für einige amerikanische Transistoren, aber die kann man ergänzen.

So, nach dem langen Text noch eine weitere Frage von mir: Mich würde mal interessieren auf was ich automatische Pegelanpassung dimensionieren muss. Im Datenblatt des Mikrofons steht eine Empfindlichkeit von 5,6mV/Pa bei 1kHz und 2kOhm Lastwiderstand. (Impedanz= 2kOhm)
Nur was bedeutet das? Auf wievle Pa komme ich wenn ich z.B. aus 30cm Entfernung in das Mikro spreche oder wenn ich es mir direkt an den Mund halte und lauter spreche? Gibt es hier Faustregeln?

Ich setzte als Ausgangsspannung von einem Elektretmikro 10mV an. Wenn die Verstärkung zu groß ist, kann man sie ja immernoch senken....

Und wie berechne ich den Lastwiderstand? Ich kann mich noch schwach an die Schulzeit erinnern. Es müsste theoretisch R4 parallel zu R5 sein, also ca. 9,5kOhm. Aber das dürfte ja nur gelten wenn der nicht invertierte Eingang von N1:C auf Masse liegen würde. Oder ist das egal? Ich glaube Wechselspannungsmäßig dürfte der ja sogar auf Masse liegen.

Der Lastwiderstand ist egal, solange er größer ist als der angegebene...
(Beider Eingänge liegen wechselspannungsmäßig an Masse, d.h. das Mikro sieht nur R4)
Ich würde allerdings den Koppelkondensator am Eingang verkleinern (z.B: 220nF)...
eine Filterung der Bässe unter 150-200 Hz verbessert die Sprachverständlichkeit und reduziert Poppstörungen und evtl vorhandenen Brumm, ist aber Geschmackssache und hängt auch davon ab, ob das Mikro diese Frequenzen überhaupt wiedergibt.
Außerdem würde ich unbedingt in Serie zu R6 einen Kondensator schalten (470nF oder mehr) um unnötige Gleichstromübertragung zu verhindern -->weniger Verzerrungen, die Ruhespannung steht genauer bei 1,26V.


Zum Prinzip meiner Schaltung: Q1/Q2 bilden eine "Verstärker"stufe, die genau entgegengesetzte Eigenschaften (bzgl Verzerrung und bei gleichem Strom auch Verstärkung) zu der Stufe mit Q3 hat.
Die Transistorkennlinie steigt um so steiler, je höher der Kollektorstrom ist, und der Kollektorstrom ist ein Vielfaches des Basisstroms) -> je höher der Kollektorstrom, desto höher die Verstärkung.
R6 gibt dem Transistor nun einen Basisstrom, der gerade so hoch sein sollte, dass der Transistor noch nicht übersteuert wird, d.h. maximale Verstärkung hat.
Das Signal wird dann von Q4 15fach verstärkt, dann teilt sich das Signal:
Q5 arbeitet als Emitterfolger und Reduziert den Innenwiderstand, damit es keine Verzerrungen gibt, wenn man das Signal auf den Gleichrichter gibt. Der Gleichrichter zweigt über R7 einen Teil vom Basisstrom von Q3 ab und reduziert so die Verstärkung um so mehr, je höher die Ausgangsspannung ist.
Die Diode D3 verzögert das Ansprechen, damit kleine Signale nicht auch schon abgeschwächt werden und erst ab etwa 300mV die Regelung einsetzt.
Das Signal wird zum anderen von Q6 3fach verstärkt, um es auf den passenden Pegel (mit etwas Reserve) für den ADC (ist natürlich nicht ein DAC wie in der Schaltung angegeben) zu bringen.

Uff. Das war lang...
Noch Fragen *g*?

[Obelix]

Hallo antiasina,

noch mal vielen Dank für die ausführliche Antwort. Hast auf jeden Fall was gut bei mir. LTSpice lade ich gerade herunter. Das wird später gleich mal ausprobiert.

Nochmal zu den 10mV vom Mikro: Diesen Wert habe ich jetzt auch einfach mal übernommen. Aber wie ist der andere Wert an der unteren Grenze? Gibt es hier auch Faustregeln wie groß die Spannung ist wenn man z.B. auf einer Entfernung von 1m ins Mikro spricht? (oder 20cm wenn es unpassend ist)

Ich habe heute nur kurz am Projekt weiter gemacht. Ich habe jetzt C2 sogar nur 100nF groß gemacht. R5 habe ich auf 100k gesenkt. Zusätzlich in Reihe zu R6 noch mal 100nF, nicht wie von dir vorgesschlagen 470nF oder größer. R6 ist jetzt 15k groß und R7 ist bei 100k geblieben. C18 habe ich noch auf 1,5nF gesetzt. Das ist zwar auch völlig fehl abgestimmt, hat aber tatsächlich einen großteil der hochfrequenten Störungen vom Netzteil eliminiert.

Das ganze klingt eigentlich ganz gut jetzt. Und die Verstärkung passt jetzt auch grob. Man kann das Mikro fast in den Mund nehmen und laut sprechen und es dann trotzdem noch verstehen. Auch aus 30cm Entfernung versteht man alles noch einigermassen. Ich weiß jetzt nur nicht wie es wird wenn Umgebungsgeräusche dazu kommen.

Ich überlege schon die ganze Zeit wie ich einfach mittels Transistor in die vorhandene Schaltung eine Regelung des Verstärkungsfaktors hin bekomme. Aber irgendwie fällt mir dazu nichts ein. Ich will das ganze eigentlich nur noch wegen des Lerneffekts weiter führen. Ich habe zwar mal den Beruf des Elektronikers gelernt, wenn man das aber nicht weiter macht staubt das wissen sehr schnell ein wie man sieht.

Vor allem möchte ich in Kürze eine Sub-Weiche bauen auf Basis der Broesel-Zauberweichen-Pläne und da wimmelt es ja von OP-Grundschaltungen. Da wäre es gut wenn ich wieder verstehen würde was ich da eigentlich zusammenschustere...

Viele Grüße
Andreas